【光电进展】美研制新功能激光雷达

【据gi.alaska.edu 2024年3月4日报道】为了解地球外的太空天气，阿拉斯加大学费尔班克斯分校的研究人员们正在开发一种新的光探测和测距仪器。

该研究所的激光雷达将测量大气层的中间层和热大气层交汇处75至125英里高空大气中的温度。随着近地轨道卫星的不断扩散，以及越来越多的国家在前往月球和其他地方的途中通过该区域，增加对该高度的了解变得越来越重要。

研究人员的目标是开发一种远程操作的激光雷达，并用地球物理研究所已设立的两个激光雷达来补充当前的科学调查。

新的激光雷达正在与一家商业激光合作伙伴合作开发，并将被放置在地球物理研究所位于加科纳附近高频主动极光计划的设施中。新的激光雷达将为Poker Flat的钠共振风温激光雷达和瑞利密度温度激光雷达提供补充的测量数据。

研究人员表示，激光雷达可以利用激光光谱测量高层大气中的温度、密度和风，这是其他方法无法实现的。激光雷达使用脉冲激光束来分辨和区分特定范围内不同距离的物体或目标。它类似于雷达，但使用光而不是无线电波。

激光雷达有两种类型。一种可以探测坚硬的表面，并创建地形、建筑、植被和其他物体的高度详细的3D地图。另一种类型可检测水体或大气等目标的体积。利用大气激光雷达，研究人员可以通过分析返回信号中的多普勒频移来确定风速和风向。多普勒频移是指相对于相对于波源运动的观察者，波的频率或波长的变化。温度可以通过激光器返回光中谱线的增宽来推断。增宽是由粒子的热运动引起的。较热的区域具有更快的粒子运动，从而产生更宽的光谱线。

新型激光雷达，称为铁共振风温激光雷达，于2021年4月开始建设，预计将于2024年投入使用。激光雷达将测量带中性电荷的铁原子，而不是大气层本身的分子。激光雷达光的颜色经过精确调整，以产生来自铁原子的强回波。只需选择合适的激光颜色，这样嵌入空气中的铁原子就可以给研究人员足够的返回信号。

流星体，特别是微流星体，不断轰炸地球大气层，并在太空边缘燃烧时将铁和其他元素沉积到中间层和热层。虽然流星沉积了几种金属，但最近的研究表明铁层延伸到了更高的高度。这意味着激光雷达测量可以深入到太空天气区域。

新的激光雷达将帮助研究人员研究例如尘埃空间等离子体和极地中间层云（也称为夜光云）之间的相互作用等方向。

夜光云由微小的冰晶组成，看起来像薄的蓝色云，在高纬度地区的夏季，有时可以在夜空中看到它们在闪光。尘埃空间等离子体是带电粒子（等离子体）和固体尘埃粒子共存的空间区域。尘埃空间等离子体可以通过引入能够导致大气化学变化的粒子来影响地球的上层中间层。中间层的变化会影响夜光云的形成、分布和持续时间。

（天津津航技术物理研究所 靳婷）

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